Коллекторная полоса из кадмиевой бронзы
Полезная модель относится к металлургии, а именно - к профилям электротехнического назначения трапециевидного поперечного сечения из кадмиевой бронзы марки БрКд1, применяемым для изготовления коллекторов электрических машин - двигателей и генераторов. Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств продукции, конкретно - достижение высоких значений точности и твердости коллекторных профилей из кадмиевой бронзы. Поставленная задача решается тем, что коллекторная полоса имеет следующие параметры: значение твердости по Бринеллю не менее 100 единиц; серповидность не более 1,5 мм на 1 м длины; продольные выступы и риски на основаниях профиля высотой и глубиной не более 0,2 мм и тонкое основание не менее 2 мм во всем диапазоне высоты профиля полосы. Получение высоких параметров коллекторного профиля достигается следующими технологическими приемами: повышением коэффициента обжатия по толщине профиля в чистовом проходе волочения; применением нимониковых прессовых матриц, канал которых получен прогрессивным методом электроэрозионного вырезания; использованием составных волок с полированными твердосплавными вкладышами; строгим соблюдением равенства коэффициентов обжатия по тонкому и толстому основаниям профиля. Достигнутый уровень параметров коллекторной полосы свидетельствует о том, что технический уровень заявленного объекта соответствует требованиям высшей категории качества, то есть задача полезной модели - повышение потребительских свойств продукции - решена. Заводы-потребители имеют возможность эффективно использовать высококачественные коллекторные полосы для изготовления электрических машин ответственного назначения - в частности тяговых двигателей и генераторов магистральных электровозов и тепловозов.
Заявляемая полезная модель относится к металлургии, а именно - к профилям электротехнического назначения трапециевидного поперечного сечения из кадмиевой бронзы марки БрКд1, применяемым для изготовления коллекторов электрических машин - двигателей и генераторов.
Известны полосовые электротехнические профили, выполняемые из меди и медных сплавов, в частности коллекторные профили [1], из которых посредством операций холодной штамповки изготавливают ламели - основные детали коллектора, являющегося важнейшим узлом электрической машины, от стабильной работы которого зависит ее надежность в эксплуатации. Действующими стандартами размеры коллекторных полос не нормированы, так как выбор необходимого сечения профиля, обеспечивающего требуемые электрические параметры, в частности плотность тока, проводится только на основании электротехнических расчетов. Это обстоятельство порождает непрерывное расширение сортамента выпускаемых коллекторных полос, который в настоящее время содержит более 1200 позиций [2]. При сборке коллектора используются несколько десятков или даже сотен ламелей, изолированных друг от друга миканитовыми (типа слюды) прокладками, поэтому легко представить, что из такого количества пластин, у которых толщина и угол профиля даже незначительно отличаются от требуемых, собрать плотный, качественный коллектор представляется весьма сложной задачей. В связи с этим предельные отклонения размеров профилей должны строго соответствовать требованиям нормативных документов, установленным с учетом того, что при проведении цикла операций горячей опрессовки и динамической формовки коллектора в сборе [3, 4] его миканитовые прокладки способны давать усадку до 2-2,5% [5].
С учетом воздействия на коллектор ряда факторов механической и электрической природы материал, из которого изготовлены коллекторные пластины, должен обладать следующим комплексом свойств:
- достаточной твердостью, чтобы оказывать сопротивление механическому истиранию;
- высокой температурой разупрочнения, высоким порогом рекристаллизации, хорошей длительной прочностью;
- высокой крипоустойчивостью, необходимой при горячей формовке (сборке) коллектора и особенно важной для машин, работающих в области температур 180-200°С.
Вследствие значительных трудностей, возникающих при реализации полного комплекса перечисленных свойств, находят, как правило, компромиссное решение, и в этом случае длительность эксплуатации коллектора, а значит, и самой электромашины будет зависеть от того, насколько выбор сплава соответствует конкретным условиям работы.
Из уровня техники известны холоднодеформированные профили из сплавов на медной основе, применяемые для изготовления коллекторных пластин электрических машин и выпускаемые по ГОСТ 4134-75 [6]; эти профили приняты в качестве прототипа.
Согласно ГОСТ 4134-75 [6] коллекторные полосы по прототипу должны соответствовать следующим требованиям:
- твердость по Бринеллю не менее 95 ед.;
- серповидность не более 4 мм на 1 м длины;
- продольные выступы и риски на основаниях профиля высотой и глубиной не более 0,4 мм при высоте профиля более 20 мм;
- тонкое основание профиля не менее 3 мм при высоте профиля более 105 мм;
- классы точности: нормальный (4-й); повышенный (3а); высокий (3-й);
- категория качества: не указана.
На основании анализа вышеприведенной информации можно сделать вывод о весьма высоком уровне требований ГОСТ 4134-75 в части геометрических параметров, точности и механических свойств (твердости) профилей из бронзы БрКд1. Кроме того, известно [7], что легирование меди кадмием не столь отрицательно сказывается на электротехнических характеристиках в сравнении с другими элементами: например, электропроводность кадмиевой бронзы БрКд1 составляет 87-88% от электропроводности технической меди, что несомненно является весьма высоким показателем.
Вместе с тем, при достаточно высоких служебных свойствах коллекторных полос по прототипу, изготавливаемых в соответствии с требованиями указанного стандарта, к коллекторным профилям электрических машин с тяжелыми условиями эксплуатации предъявляются более жесткие в сравнении с ГОСТом требования. В частности, этим повышенным требованиям должны отвечать коллекторные профили, применяемые при сборке коллекторов тяговых электрических машин магистральных электровозов и тепловозов, т.е. при их использовании в электрических машинах весьма ответственного назначения. С учетом существенного ужесточения требований потребителей, выпускающих машины ответственного назначения для работы в тяжелых условиях нагружения, качество профилей, выполненных по ГОСТ 4134-75, не достигает надлежащего уровня по геометрическим характеристикам, точности и твердости.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение потребительских свойств продукции, конкретно - достижение высоких параметров точности и твердости коллекторных профилей из кадмиевой бронзы.
Поставленная задача решается тем, что коллекторная полоса имеет следующие параметры: значение твердости по Бринеллю не менее 100 ед., серповидность не более 1,5 мм на 1 м длины, продольные выступы и риски на основаниях профиля высотой и глубиной не более 0,2 мм и тонкое основание не
менее 2 мм во всем диапазоне высоты профиля полосы. Кроме того, следует также отметить, что предельные отклонения по толщине профиля соответствуют только высокому (3-му) классу точности изготовления. Таким образом, установленные показатели технического уровня полезной модели отвечают требованиям высшей категории качества [8].
Получение вышеприведенных высоких параметров коллекторного профиля достигается следующими приемами обработки.
1. Повышенные значения твердости по Бринеллю (
100 НВ) реализованы в производственных условиях за счет увеличения коэффициента обжатия по толщине профиля в чистовом проходе волочения 
, установленного в диапазоне 1,27-1,30 против ранее применявшегося значения на уровне 1,25. При этом рассчитывается по формуле
где ai-1 и в i-1 - соответственно толщина толстого и тонкого оснований предчистового, прошедшего полный рекристаллизационный отжиг профиля полосы;
аi и вi - соответственно толщина толстого и тонкого оснований чистового профиля полосы (фигура).
При обосновании диапазона =1,27-1,30 следует указать, что если значение , будет меньше нижнего предела, равного 1,27, то не достигается надлежащий уровень твердости по Бринеллю (100 НВ); при >1,30 существенно снижаются пластические свойства материала коллекторной полосы, вследствие чего усложняются условия ее дальнейшей обработки на заводе-потребителе.
2. Известно, что отсутствие серповидности (отклонения от прямолинейности по высоте) полосы трапециевидного сечения имеет место только при соблюдении равенства коэффициентов обжатия по основаниям "а" и "в" профиля при волочении а=в, что особенно важно в чистовом проходе, т.е. при получении готового профиля, и что при существующем технологическом регламенте изготовления полос по прототипу чрезвычайно сложно обеспечить вследствие ряда следующих причин:
- широкого поля допусков на размеры горячепрессованной заготовки (например, при размерах оснований профиля от 5 до 10 мм допускаемое отклонение составляет ±0,7 мм);
- постепенного и, как правило, неравномерного износа рабочих каналов волок, используемых при волочении в нескольких (как минимум в 3-4-х) проходах до получения готового профиля;
- трудностей, возникающих при обработке и доводке волочильного канала в случае применения в качестве материала волок твердых сплавов и др.
В частности, для предотвращения уменьшения размеров каналов прессовых матриц вследствие их так называемого "заплывания" при высоких рабочих температурах и контактных давлениях в процессе прессования, сечению канала в свету заранее (при изготовлении) придают двояковыпуклую по большим сторонам форму. При этом толщину профилей в средней по высоте его части назначают равной (а+в)/2+2с, где с - выпуклость на одну сторону, равная 0,5-0,6 мм. Двояковыпуклость канала повышает стойкость матрицы, но порождает бочкообразность сечения прессованной заготовки, что крайне отрицательно влияет на распределение обжатий по высоте полосы при волочении, приводит к грубому нарушению соотношения а=в и, следовательно, к повышенной серповидности как промежуточных заготовок (что не столь существенно), так и готовой коллекторной полосы (что недопустимо). Это явление, а также другие негативные факторы и послужили причиной установления довольно значительной нормы ГОСТа по серповидности, а именно 4 мм на 1 м длины.
Резкое (с 4-х до 1,5 мм, т.е. в 2,67 раза) снижение серповидности коллекторных полос согласно заявленному техническому решению достигнуто следующим образом.
Во-первых, от старого способа изготовления каналов прессовых матриц (выполненных, как правило, из стали марки 3Х2В8Ф) посредством электроискровой обработки с последующей ручной доводкой перешли на современный прогрессивный метод электроэрозионного вырезания на станках модели СВЭИ-7 с ЧПУ и использованием в качестве расходуемого электрода высокоточной проволоки диам. 0,25 мм из латуни Л63, что резко повысило точность геометрических показателей каналов прессовых матриц. Во-вторых, в качестве материала матриц использовали высокоэффективный сплав на основе никеля - нимоник 80, значительно более термостойкий по сравнению с инструментальными сталями, не склонный к "заплыванию". В-третьих, волочение проводили в составные волоки с твердосплавными вкладышами, которые обрабатывают на плоскошлифовальных станках и размеры которых поэтому легко поддаются при необходимости корректировке. Естественно, что при этом дополнительно повысились стабильность настройки и стойкость волочильного инструмента.
3. Конструкция составной волоки, волочильный канал которой образован двумя вкладышами, плотно, без зазора прилегающими друг к другу по шлифованным (в особо ответственных случаях - полированным) плоскостям и зажатыми в жесткую стальную обойму посредством клиньев и винтов, гарантированно обеспечивает получение коллекторного профиля без выступов и рисок на его основаниях. Вместе с тем, в процессе достаточно длительной эксплуатации составной волоки проявляется негативное влияние следующих факторов:
- износ ее рабочих вкладышей вследствие значительных распорных усилий, действующих на волоку нормально к поверхности деформационной зоны канала;
- возможные несанкционированные вредные явления (например, плохая подача смазки в канал или снижение ее качества, попадание в канал окалины, загрязнений и др.).
Эти факторы могут привести в месте стыка вкладышей к появлению минимального зазора, и по этой причине в отличительную часть формулы полезной модели включен признак, касающийся продольных выступов и рисок. В формуле их величина ограничена значением 0,2 мм в отличие от прототипа, где она составляет 0,4 мм, т.е. реализовано двукратное снижение по сравнению с прототипом.
4. 0граничение по прототипу минимального значения тонкого основания профиля, равного 3 мм, продиктовано обстоятельствами, порожденными вышеописанными технологическими трудностями получения профилей с более тонкими основаниями. Дополнительно к этому следует отметить, что получение очень тонкого (до 1 мм) коллекторного профиля в принципе достижимо, но для этого потребуется использовать до 8-10 проходов волочения (с сопутствующим ему комплексом вспомогательных операций - промежуточными отжигами, травлениями, завальцовкой захваток, транспортированием и т.д.). Это настолько удлинит производственный цикл обработки и вызовет такое удорожание продукции, что полученный результат станет экономически нецелесообразным. Изготовление таких профилей реализуется лишь по индивидуальному заказу и в условиях сугубо мелкосерийного производства.
Однако одна из тенденций развития современного электромашиностроения такова, что для достижения высоких эксплуатационных характеристик машин ответственного назначения заводы-потребители, наряду с другими требованиями, выставляют также условие расширения размерного ряда коллекторных полос, в том числе в сторону снижения минимально установленного стандартом предела толщины тонкого основания профиля, равного 3-м мм. Выполнение данного условия существенно повышает уровень потребительских свойств продукции, и в связи с этим согласно предлагаемой полезной модели минимальное значение тонкого основания профиля снижено с 3-х до 2-х мм, т.е. достигнуто 1,5-кратное уменьшение размера. Достижение такого результата стало возможным только благодаря описанным выше технологическим приемам, вполне надежно осуществленным в производственных условиях.
На основании сопоставительного анализа признаков прототипа и заявляемой полезной модели следует вывод о том, что технический уровень заявляемого объекта соответствует требованиям высшей категории качества, т.е. задача полезной модели решена - достигнуто повышение потребительских свойств продукции.
В качестве примера конкретной реализации в условиях производства предлагаемой полезной модели приведена в кратком изложении технологическая схема получения коллекторного трапециевидного профиля из бронзы БрКд1 с размерами поперечного сечения: 2,43-0,025×5,52 -0,025×114-0,7 мм, угол профиля 1°32'33".
Плавку сплава БрКд1 заданного химического состава проводили в индукционной канальной печи ИЛК 1,6 с использованием катодной меди марки M1 к, кадмия чушкового и отходов собственного производства. Литье слитков диаметром 190 мм осуществляли полунепрерывным методом в водоохлаждаемый кристаллизатор при температуре и скорости литья, оговоренных технологическим регламентом. После резки слитков на заготовки длиной 290 мм, обрезки литниковой и донной частей, удаления поверхностных дефектов и отбора темплетов для контроля химического состава заготовки нагревали в индукционной печи и прессовали на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 20 МН через одноканальную матрицу на заготовку трапецеидального поперечного сечения 5,2×11,6×114 мм для последующего волочения. Волочение коллекторной полосы из горячепрессованной заготовки за 3 прохода с промежуточными отжигами проводили через составные волоки с твердосплавными (из ВК8) вкладышами со строго равными коэффициентами обжатия по основаниям профиля в чистовом проходе и составляющими а=в=1,286. Параметры полученных холоднотянутых коллекторных профилей в состоянии поставки полностью отвечали требованиям потребителя в соответствии с нормативами ТУ, а именно: твердость по Бринеллю 104 единицы, серповидность 1,2 мм на 1 м длины; отсутствие продольных выступов и рисок на основаниях профиля; номинальная толщина тонкого основания профиля равна 2,43 мм (т.е. меньше 3-х мм); предельные отклонения по толщине профиля, проверка которых производится при помощи щупа и шаблона, соответствуют высокому (3-му) классу точности изготовления (не более - 0,025 мм).
Таким образом, указанная в формуле полезной модели задача -повышение потребительских свойств продукции - решена.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электротехнические материалы. Справочник / В.В.Березин, Н.С.Прохоров, Г.А.Рыков и др. М.: Энергоатомиздат, 1983. 504 с.
2. Каталог №8606. Медь коллекторная для электрических машин. М.: ЦИНТИЭЛЕКТРОПРОМ, 1960.
3. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. М. -Л.: Госэнергоиздат, 1957. 247 с.
4. Краново-металлургические электродвигатели / Н.М.Баталов, В.А.Белый, А.Б.Иоффе и др. Изд.2-е. М.: Энергия, 1967. 240 с.
5. Виноградов Н.В. Производство электрических машин. М.: Энергия, 1970.
6. ГОСТ 4134-75. Профили из медных сплавов для коллекторов электрических машин. М.: Издательство стандартов, 1980. 8 с. УДК 669.35-422 : 621.313.047.2 : 006.354. Группа В 53.
7. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.
8. ТУ48-21-491-75. Полосы коллекторные из меди с кадмием. Регистрационный номер 138862 от 21.07.75. Группа В 53. Код ОКП 184480.
1. Коллекторная полоса с трапециевидным профилем поперечного сечения, выполненная из электротехнической кадмиевой бронзы марки БрКд1, отличающаяся тем,что значение твердости по Бринеллю составляет 100-112 НВ, значение серповидности в интервале 1,2-1,5 мм на 1 м длины, а величина тонкого основания профиля составляет не менее 2 мм.
2. Коллекторная полоса по п.1, отличающаяся тем, что высота продольных выступов и рисок на основаниях профиля составляет не более 0,2 мм.
